有機肥替代部分化肥氮對糯玉米產量、品質及氮素利用的影響

婁 菲 左懌平 李 萌 代鑫萌 王 健 韓金玲 吳 舒 李向嶺,* 段會軍

有機肥替代部分化肥氮對糯玉米產量、品質及氮素利用的影響

婁 菲1左懌平1李 萌1代鑫萌1王 健1韓金玲1吳 舒3李向嶺1,*段會軍2,*

1河北科技師范學院農學與生物科技學院 / 河北省作物逆境生物學重點實驗室, 河北秦皇島 066004;2河北農業大學農學院 / 華北作物改良與調控國家重點實驗室, 河北保定 071001;3河北環境工程學院/ 河北省農業生態安全重點實驗室, 河北秦皇島 066102

研究有機肥替代部分化肥氮對糯玉米產量、品質及氮素利用的影響, 探索糯玉米生產中有機肥與化肥的最佳配施比例, 為河北省鮮食糯玉米優質栽培提供理論依據。2021和2022年設置田間試驗, 以糯玉米品種斯達糯41為試驗材料, 采用隨機區組設計, 設置不施氮(T1)、常量化肥氮(T2)、有機肥替代20%化肥氮(T3)、有機肥替代40%化肥氮(T4)、有機肥替代60%化肥氮(T5)和有機肥替代100%化肥氮(T6)共6個處理。結果表明, 與T2處理相比, T3、T4和T5處理提高了糯玉米鮮果穗產量, 分別增加3.08%、13.61%、3.20%; T3～T6處理下氮素利用效率降低, T3、T4和T5處理氮肥偏生產力和氮肥農學效率增加。與T2處理相比, T3～T5處理提高了糯玉米外觀和品嘗品質評分, 其中T4處理總評分最高, 這主要是因為有機肥替代部分化肥氮增加了籽?？偟矸酆椭ф湹矸酆? 降低了籽粒蛋白質和可溶性糖含量, 同時改善了籽粒質構特性, 籽粒硬度、彈性和咀嚼性增加, 內聚性降低。綜上所述, 在總施氮量為180 kg hm–2條件下, 有機肥替代部分化肥氮的比例為總施氮量40%時可以實現糯玉米鮮果穗產量和品質的協同提高。

糯玉米; 有機肥; 產量; 氮效率; 籽粒品質

糯玉米起源于中國, 是一種基因發生變異的新玉米類型, 其籽粒胚乳淀粉由近100%支鏈淀粉組成[1-2]。我國糯玉米種植面積有80萬公頃左右, 已成為全球糯玉米種植面積最大的國家[3], 隨著生活水平提高, 糯玉米憑借其綿軟適口、甜粘清香的獨特口感和風味深受消費者喜愛和青睞[4-5]。糯玉米的產量和品質, 除了受自身遺傳基因影響, 還受栽培措施和氣候環境等因素的影響, 其中氮肥作為玉米的“糧食”, 在提升玉米產量和品質中發揮著重要作用[6-7]。在片面追求高產過程中, 普遍存在過量施用氮肥的現象, 不僅易造成糯玉米減產和品質降低, 還導致成本增加和環境污染[7-8]。

有機肥與氮肥配合施用是一種可持續農業管理模式, 兩者優化配施可減少化肥投入, 提高肥料利用效率和作物產量, 改善作物品質[10-11]。有機肥料的使用能夠減少合成化肥的使用, 在提高土壤肥力和緩解環境污染問題具有較大的應用潛力。研究表明, 有機肥部分替代化肥能協調有機與無機養分的平衡供應, 滿足作物生長發育需求, 保持作物高產穩產[12-13], 同時可以減少化肥用量。何浩等[14]研究表明, 秸稈條狀還田條件下, 化肥減量配施有機肥可以增加土壤中有機碳和速效氮、磷、鉀含量, 實現玉米增產增收。與常規施氮相比, 減氮20%配施有機處理可以提高玉米產量[15-16]。謝軍等[17]研究表明, 有機肥氮替代50%的化肥氮能顯著提高玉米籽粒產量和氮素利用效率, 降低氮素進入環境的風險?；屎陀袡C肥合理施用不僅能保證作物的穩產增產, 而且能降低環境污染的風險, 實現農業資源循環再利用[18]。有機肥和無機肥配施可以調節土壤養分狀況、改善土壤結構和增強土壤肥力水平, 提升玉米品質[19]。周蕓等[20]研究表明有機肥氮替代30%化肥氮可以提高玉米籽粒淀粉含量、可溶性糖含量和蛋白質含量。方成等[21]研究表明常規施化肥減施30%配施餐廚垃圾源蚓糞處理能顯著增加玉米維生素C、可溶性糖和淀粉含量; Zhai等[22]研究表明, 與單施化肥相比, 有機肥替代15%和30%化肥氮能顯著提高夏玉米籽粒產量和水分利用效率, 增加經濟效益。

隨著糯玉米綠色生產技術研究的推進, 有機肥和化肥配施已經成為改善和提升玉米產量和品質的栽培措施之一, “減氮”成為糯玉米綠色生產的主題之一, 然而目前河北省化肥氮減量條件下有機肥不同比例替代對糯玉米產量、品質及氮素利用的影響效應研究尚未見報道。因此, 本研究基于田間試驗明確有機肥替代部分化肥氮對糯玉米干物質與氮素積累、鮮果穗產量和籽粒品質的影響, 以期確定河北省糯玉米生產中有機肥與化肥最佳配施比例, 為糯玉米有機替代調優栽培提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和供試材料

于2021年和2022年在河北省秦皇島市昌黎縣河北科技師范學院農學與生物科技學院實驗站(39o07′N, 119o17′E)進行。試驗區域氣候屬于溫帶大陸性季風氣候, 年平均氣溫11.8℃, 無霜期210 d, 降水量 527.0 mm, 年日照2720 h。土壤類型為褐土。試驗地土壤容重為1.44, 全氮含量1.36 g kg–1, 堿解氮含量64.08 mg kg–1, 有效磷11.69 mg kg–1, 速效鉀54.50 mg kg–1, 有機質12.40 g kg–1。

以糯玉米品種斯達糯41為供試品種。供試肥料包括復合肥(N、P2O5和K2O含量分別為22%、8%和14%)、過磷酸鈣(P2O552%)、硫酸鉀(K2O 51%), 商品羊糞有機肥(有機質含量50%, 養分含量為N 2.14%、P2O51.24%、K2O 2.18%)。

1.2 試驗設計

采用隨機區組設計, 設不施氮(T1)、常量化肥氮(T2)、有機肥替代20%化肥氮(T3)、有機肥替代40%化肥氮(T4)、有機肥替代60%化肥氮(T5)和有機肥替代100%化肥氮(T6)。其中, 有機替代是指通過有機肥中氮養分折合所代替的化肥氮肥的百分比。除T1處理不施氮外, T3、T4、T5和T6處理的氮養分均與T2處理相同, 為等氮量設計, 施氮量為180 kg hm–2。T2處理的氮全部由化肥提供, T6處理的氮全部由有機肥提供, T3、T4和T5處理一部分氮由有機肥提供, 一部分氮由化肥提供。所有處理的磷鉀養分投入一致, P2O5為75 kg hm–2, K2O為108 kg hm–2。所有肥料在播種前一次性施入土壤中。種植密度是52,500株hm–2。每個處理3次重復。每個小區長15 m,寬6 m, 面積90 m2。糯玉米生育期內田間除草、植保、灌溉等管理同當地大田生產。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 干物質和全氮含量 于拔節期、大喇叭口期、開花期和采收期, 取田間長勢一致的植株3株, 拔節期、大喇叭口期、開花期將植株分成莖(含葉鞘)、葉兩部分; 采收期將植株分成莖、葉、籽粒、穗軸、苞葉五部分, 放入烘箱中, 105℃殺青30 min, 70℃烘干至恒重后, 研磨成粉末, 采用凱氏定氮法測定全氮含量。

1.3.2 鮮果穗產量 于最適采收期, 采收5 m雙行鮮果穗除去苞葉后進行稱重, 統計實收穗數, 選取20個果穗進行考種。

1.3.3 蒸煮食味品質 于最適采收期, 剝去果穗外層的苞葉, 取5穗放入托盤, 在蒸鍋內蒸煮30 min后切段品嘗。評分從氣味、色澤、甜度、風味、柔嫩性和果皮薄厚6個方面進行。食味品質參考NY/T 523-2020的糯玉米品質評價評分指標執行。

1.3.4 籽粒營養品質 于最適采收期, 選擇5個大小均勻的果穗進行收獲, 剝離籽粒, 于40℃烘干, 研磨成粉末, 采用凱氏定氮法測定籽粒含氮量, 利用以下公式計算籽粒中蛋白質含量: 蛋白質含量(mg g–1)=氮含量×6.25。采用GB25006285蒽酮-硫酸比色法測定可溶性糖和蔗糖含量, 采用雙波長法測定直鏈和支鏈淀粉含量。

1.3.5 籽粒質構特性 于最適采收期, 選擇5個大小均勻的果穗, 在電飯鍋中放入適量水, 等鍋中水沸騰放入采收的糯玉米, 待水再次沸騰后記時15 min, 撈出瀝干, 瀝干后隔袋60℃保溫。剝離較為完整的玉米粒9粒, 用鑷子夾住剝離的糯玉米粒胚乳面朝上, 放置于TA-XT2i型物性測試儀機臺上, 壓縮模式進行探頭全譜圖分析, 觸發點負載7 g, 測試速度0.50 mm s–1, 壓縮距離1 mm, 循環次數2次, 測定硬度、內聚性、彈性、膠黏性、咀嚼性等。

1.4 有關指標計算公式

氮素利用率 (NUE, %) = (施氮區植株氮素積累量–不施氮區植株氮素積累量)/施氮量×100%; 氮肥偏生產力(PFPN, kg kg–1) = 鮮果穗產量/施氮量; 氮素農學效率(AEN, kg kg–1) = (施氮區鮮果穗產量–不施氮區鮮果穗產量)/施氮量。

1.5 數據處理及分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據整理, 利用SPSS 22.0軟件進行方差分析和多重比較, 采用SigmaPlot 10.0進行軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米植株干物質積累的影響

由圖1可知, 各處理對糯玉米植株干物質積累量的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。增施氮肥增加了糯玉米開花期和采收期植株干物質積累量。與T1處理相比, T2、T3、T4、T5和T6處理下開花期植株干物質積累量2年平均值分別提高31%、46.54%、60.16%、61.26%和44.20%, 采收期植株干物質積累量2年平均值分別提高31.48%、39.01%、65.38%、67.14%和33.55%。與T2處理相比, T3、T4、T5和T6處理開花期植株干物質積累量2年平均值分別提高13.44%、24.08%、24.57%和14.48%, 采收期分別提高5.34%、24.35%、26.08%和1.57%。與T2處理相比, T1處理下開花期和采收期植株干物質積累量2年平均值分別降低31.00%和31.48%, 說明有機肥替代化肥T3、T4和T5處理增加了糯玉米開花期和采收期植株干物質積累量。

2.2 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米植株氮素積累的影響

由圖2可知, 各處理對植株干物質積累的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。增施氮肥增加了糯玉米開花期和采收期植株氮素積累量。與T1處理相比, T2、T3、T4、T5和T6處理下開花期植株氮素積累量2年平均值分別提高54.91%、78.65%、78.31%、72.77%和21.41%, 采收期植株氮素積累量2年平均值分別提高56.42%、71.03%、66.61%、63.72%和21.86%。與T2處理相比, T3、T4和T5處理開花期植株氮素積累量2年平均值分別提高7.70%、20.90%和17.0%, 采收期分別別提高3.45%、5.28%和0.37%。與T2處理相比, T1和T6處理下采收期植株氮素積累量降低, 2年平均值分別降低39.61%和14.97%, 說明有機肥替代部分化肥氮T3、T4和T5處理增加了糯玉米開花期和采收期植株氮素積累量。

圖1 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米植株干物質積累的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。V6: 拔節期; V12: 大喇叭口期; R1: 吐絲期; R3: 乳熟采收期。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. V6: jointing stage; V12: big bell mouth stage; R1: silking stage; R3: milk ripening harvest stage.

圖2 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米植株氮素積累動態的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。V6: 拔節期; V12: 大喇叭口期; R1: 吐絲期; R3: 乳熟采收期。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. V6: jointing stage; V12: big bell mouth stage; R1: silking stage; R3: milk ripening harvest stage.

2.3 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米鮮果穗產量的影響

由圖3可知, 各處理對糯玉米鮮果穗產量的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。增施氮肥增加了糯玉米鮮果穗產量。與T1處理相比, 2021年T2～T5處理分別提升8.99%、12.36%、23.82%和12.48%, T6處理降低0.13%; 2022年T2～T6處理分別提升53.90%、75.32%、78.57%、73.38%和38.31%; 與T2處理相比, T3、T4和T5處理下鮮果穗產量增加, 而T6處理降低; 2021年T3、T4和T5處理分別增加3.08%、13.61%和3.20%, T6處理降低8.36%; 2022年分別增加13.92%、16.03%和12.66%, T6處理降低10.13%, 說明隨著有機肥替代比例的增加糯玉米從不顯著增產到顯著增產在減產, 有機肥替代部分化肥處理(T4)下糯玉米鮮果穗產量提升效果最好。

2.4 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米氮素利用效率的影響

由表1可知, 各處理對糯玉米氮素利用效率的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。與T2處理相比, T3～T6處理下氮素利用效率2年平均值分別降低10.27%、25.59%、20.46%和72.96%, T3、T4和T5處理氮肥偏生產力2年平均值分別增加8.51%、14.82%和7.93%, T6處理降低9.25%, T4處理下氮肥偏生產力最高; 與T2處理相比, 2021年T3、T4和T5處理氮素農學效率分別增加7.83%、34.45%和8.11%, T6處理降低18.91%, 僅有T4達到顯著水平; 2022年T3、T4和T5處理分別增加11.20%、19.60%和21.69%, T6處理降低39.16%, T3、T4和T5處理達到顯著水平, 說明隨著有機肥替代比例的增加, 糯玉米氮素利用效率呈降低趨勢, 氮肥偏生產力最高和氮素農學效率呈先增加后降低的趨勢, 有機肥替代40%化肥氮處理下(T4)糯玉米氮肥偏生產力和氮素農學效率最高。

圖3 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米鮮穗產量的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。同一年份同列數據不同字母表示處理間在0.05概率水平差異顯著。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments in the same year at the 0.05 probability level.

表1 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米氮素利用效率的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。R3: 乳熟采收期。同一年份同列數據不同字母表示處理間在0.05概率水平差異顯著。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. NUE: nitrogen use efficiency; PPEN: partial factor productivity of applied N; AEN: agronomic efficiency of applied N. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments in the same year at the 0.05 probability level.

2.5 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米食味品質的影響

由表2可知, 各處理對糯玉米食味品質的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。糯玉米外觀和品嘗品質評分表現為T2～T6處理高于T1處理, 增施氮肥能夠提高糯玉米外觀品質和品嘗品質, T3～T6處理下糯玉米外觀和品嘗品質總評分均高于T2處理, 隨著有機肥替代比例的增加呈現先升高后降低的趨勢, 其中T4處理下糯玉米總評分最高, 2021和2022年分別為87.1分和90.7分; 有機肥施用后糯玉米外觀較好, 糯性較好, 果皮較為適中, 柔嫩性和風味較好, 說明有機肥替代部分化肥氮提升了糯玉米外觀和品嘗品質, 但隨著替代比例的增加提升效果變小, T4處理能提升糯玉米外觀品質和口感。

表2 有機肥替代部分化肥氮對鮮食糯玉米食味品質的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。同一年份同列數據不同字母表示處理間在0.05概率水平差異顯著。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments in the same year at the 0.05 probability level.

2.6 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米籽粒營養品質的影響

由表3可知, 各處理對糯玉米籽粒營養品質的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。與T1處理相比, 施氮各處理增加了糯玉米籽粒蛋白質含量、可溶性總含量和可溶性總淀粉含量。與T2處理相比, T3處理增加了籽粒蛋白質含量, 而T4、T5、T6處理降低了籽粒蛋白質含量; 與T2處理相比, T3、T4、T5、T6提高了籽粒可溶性糖含量、蔗糖含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量, T3、T4、T5、T6處理籽粒總淀粉含量2年平均值較T2處理分別增加3.79%、15.25%、9.67%和8.79%, 籽粒支鏈淀粉含量分別增加3.18%、15.18%、9.18%和7.77%, 其中T4處理下籽?？扇苄钥偟矸酆椭ф湹矸酆刻嵘Ч詈? 說明有機肥替代部分化肥氮處理提高了糯玉米籽?？扇苄钥偺呛驼崽呛?、總淀粉含量和支鏈淀粉含量, 其中T4處理下籽?？扇苄蕴?、蔗糖含量、總淀粉和支鏈淀粉含量最高。

2.7 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米籽粒質構特性的影響

由表4可知, 各處理對糯玉米籽粒質構特性的影響在2個年份表現出相似的變化趨勢。與T1處理相比, 施氮處理改善了糯玉米籽粒質構特性, 增加了籽粒硬度、內聚性、彈性和咀嚼性, 而對膠黏性無影響。與T2處理相比, T3、T4、T5和T6籽粒硬度和內聚性2年平均值分別降低2.32%～9.66%和3.03%～41.67%; T3、T4和T5處理籽粒彈性和咀嚼性2年平均值分別增加10.63%～24.67%和25.31%～ 40.66%, 差異達到顯著水平; 有機肥替代化肥氮各處理對籽粒膠黏性無顯著影響, 說明有機肥替代部分化肥氮處理降低糯玉米籽粒硬度和內聚性, 增加籽粒彈性和咀嚼性, 其中T4處理下籽粒硬度和內聚性適中, 籽粒彈性和咀嚼性顯著增加。

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。同年份同列數據不同字母表示處理間在0.05概率水平差異顯著。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments in the same year at the 0.05 probability level.

表4 有機肥替代部分化肥氮對糯玉米籽粒質構特性的影響

T1: 不施氮; T2: 常量化肥氮; T3: 有機肥替代20%化肥氮; T4: 有機肥替代40%化肥氮; T5: 有機肥替代60%化肥氮; T6: 有機肥替代100%化肥氮。同年份同列數據不同字母表示處理間在0.05概率水平差異顯著。

T1: no nitrogen fertilizer application; T2: constant fertilizer nitrogen; T3: organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen; T4: organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen; T5: organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen; T6: organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen. Different lowercase letters mean significant differences among the treatments in the same year at the 0.05 probability level.

2.8 鮮果穗產量、氮效率和品質的相關性

由圖4可以看出, 鮮果穗產量與氮素利用率(=0.85)、氮肥偏生產力(=1.00)、氮肥農學效率(= 0.94)、籽?？偟矸酆俊⒆蚜Ｖф湹矸酆砍蕵O顯著正相關關系; 蒸煮食味總分與采收期植株干物質積累量、籽?？扇苄蕴呛?=0.80)、籽粒蔗糖含量、籽?？偟矸酆?、籽粒支鏈淀粉含量、籽粒彈性(=0.80)、籽粒膠黏性和籽粒咀嚼性(=0.89)極顯著正相關, 與籽粒內聚性極顯著負相關; 籽?？偟矸酆亢妥蚜Ｖф湹矸酆?=0.99)之間極顯著正相關, 籽粒直鏈淀粉含量與籽粒蛋白質含量呈極顯著正相關關系, 與蒸煮食味總分顯著負相關。在糯玉米生產過程中, 要注意協調籽粒蛋白質含量與總淀粉、支鏈淀粉含量之間的關系, 保證糯玉米高品質生產。

圖4 鮮果穗產量、氮效率和品質的相關性

GY: 鮮果穗產量; DMA: 采收期植株干物質積累量; NC: 采收期植株氮素積累量; NUE: 氮素利用率; PFPN: 氮肥偏生產力; AEN: 氮肥農學效率; CFS: 蒸煮食味總分; GPTC: 籽粒蛋白質含量; GSSC: 籽粒可溶性糖含量; GSC: 籽粒蔗糖含量; TGSC: 籽?？偟矸酆? GAC: 籽粒直鏈淀粉含量; GPLC: 籽粒支鏈淀粉含量; GH: 籽粒硬度; GCH: 籽粒內聚性; GE: 籽粒彈性; GV: 籽粒膠黏性; GCW: 籽粒咀嚼性。

GY: fresh ear yield; DMA: plant dry matter accumulation during harvest; NC: plant nitrogen accumulation during harvest; NUE: nitrogen efficiency; PFPN: nitrogen partial productivity; AEN: nitrogen fertilizer agronomic efficiency; CFS: cooking flavor score; GPTC: grain protein content; GSSC: grain soluble sugar content; GSC: grain sucrose content; TGSC: the total grain starch; GAC: grain amylose content; GPLC: grain pullulan content; GH: grain hardness; GCH: grain cohesion; GE: grain elasticity; GV: grain viscosity; GCW: grain chewability.

3 討論

作物生物量與養分積累密切相關, 養分積累是生物量積累及產量形成的基礎, 養分供應充足才能促進玉米生長發育。黨翼等[23]研究發現, 氮肥配施有機肥可以增加玉米干物質積累量。王艷博等[24]研究表明, 相對于單施無機肥處理, 氮肥配施1500 kg hm–2有機肥可促進玉米物質積累, 改善穗部性狀, 提高產量。黃志浩等[25]研究表明, 有機肥25%替代化肥氮提高了玉米生物量。本研究表明, 與單施化學氮處理相比, 有機肥替代化肥氮各處理能夠提高糯玉米干物質積累量, 這與前人研究結果一致。主要是由于常量化肥氮處理僅能在短期內維持土壤中氮素的供應, 可能會造成玉米生育后期土壤氮素虧缺和肥力下降, 而有機肥施用能補充玉米生育后期土壤氮庫, 提高土壤氮素有效性, 同時有機肥緩慢釋放養分的特性可以避免作物生育后期養分供應不足的問題, 有利于作物干物質積累量的增加[26-27]。

氮素是玉米生長的必需元素, 是植物干物質累積及進行光合作用的基礎[28]。研究表明[29-30], 等氮條件下有機無機肥配施處理可以提高玉米整個生育期內各器官的氮素積累量, 有效促進玉米植株對氮素的吸收利用。本研究表明, 常量化肥氮和有機肥替代100%化肥氮處理下糯玉米植株氮積累量小于有機肥替代部分化肥氮各處理, 有機肥替代部分化肥氮處理顯著增加了糯玉米開花期和采收期植株氮素積累量, 這與宋桂云等[31]研究發現的結論一致, 可能是有機肥替代化肥影響農田的土壤質量及根系生長的微生態環境, 有機無機肥的配施改善了土壤養分的供應過程, 讓土壤養分的釋放更為平緩, 使土壤中的養分維持在了較高水平, 為后期糯玉米的生長所需的養分提供了保障[28,32]。作物產量的提高主要是通過群體對肥、光、溫、水等資源利用效率的提升來實現。氮肥農學效率、偏生產力、吸收利用率和生理利用率是反映作物對氮肥利用效率的主要指標。本研究中, 隨著有機肥替代比例的增加, 糯玉米氮素利用效率呈降低趨勢, 有機肥替代20%化肥氮處理下糯玉米氮素利用效率最高, 這與李孝良等[33]研究得出的化肥減量 20%配施有機肥處理提高玉米氮素利用率的結論一致, 這主要是由于有機肥施入土壤后, 為土壤微生物提供了大量能源物質, 促進了土壤微生物增殖及微生物生物量氮的增加, 有利于土壤氮的協調供應, 提高了作物氮素利用效率。本研究發現隨著有機肥替代比例的增加, 糯玉米氮肥偏生產力和氮肥農學效率呈先增加后降低的趨勢, 有機肥替代40%化肥氮處理下氮肥偏生產力和氮肥農學效率最高, 顯著高于單施化肥處理, 這與高洪軍等[34]、張秀芝等[35]的研究結果一致, 研究發現有機肥配施化肥處理下氮肥農學利用率、偏生產力均顯著高于單施氮肥處理。

適宜的有機肥替代化肥有利于增加作物產量。習斌等[36]、Geng等[37]研究表明, 化肥與有機肥合理的配施相比較單施化肥處理可以提高玉米籽粒產量。適宜的有機肥氮替代比例才能夠促進作物產量, 比例過高或者過低都會降低作物產量[38]。本研究中, 與常量化肥氮相比, 有機肥替代20%～60%化肥氮處理能夠增加糯玉米鮮果穗產量, 其中有機肥替代40%化肥氮處理下糯玉米鮮穗產量最高, 這與薛同宣等[39]研究結果一致, 40%雞糞有機肥氮替代化肥處理玉米產量最高。糯玉米產量隨著有機肥替代比例的增加出現先上升后下降的趨勢, 表明一定水平總養分量情況下, 有機肥料和化學肥料比例適宜, 更能發揮肥料的效率, 這是因為化肥的肥效較快, 易被作物吸收利用, 可以在作物生長前期提供適量的無機氮, 有機肥分解緩慢具有長效性, 在作物生長中后期, 有機肥礦化能持續穩定地釋放供應無機氮, 增加土壤氮、磷養分, 促進作物生長發育, 提高作物產量[18,27]。因此, 具有合適配比的有機肥料與無機肥料可以滿足玉米的整個生長期內的需肥要求, 提高肥料的利用效率。

化肥和有機肥合理配施是提升作物品質的主要栽培措施之一[25,41-42], 本研究中, 有機肥替代40%化肥氮處理下糯玉米蛋白質含量有所增加但未達到顯著水平, 有機肥替代化肥增加糯玉米可溶性糖含量, 這與周蕓等[20]研究有機肥氮替代30%化肥處理提高玉米可溶性糖含量結果相似。有機肥氮替代增加了糯玉米籽?？偟矸酆? 有機肥替代20%～60%化肥處理增加糯玉米籽粒支鏈淀粉含量, 其中替代40%化肥氮處理下籽?？偟矸酆亢椭ф湹矸酆匡@著增加, 這是因為有機肥與氮肥配施可增強土壤對氮磷鉀的吸附力, 從而提高土壤肥力, 改善土壤養分狀況, 為土壤提供豐富的有機質, 有機質可以被土壤中的微生物分解和釋放, 滿足作物發育的需求, 提高養分向籽粒的運輸。同時, 微生物還參與分解有機肥的過程, 釋放出有機酸和酶等物質, 促進玉米的養分吸收和代謝, 從而提升籽粒品質[30,40]。

可見, 在保證總氮量不增加的前提下, 有機肥替代部分化肥氮處理可以促進糯玉米對氮磷鉀養分的吸收和代謝, 一方面增加糯玉米生物量和鮮果穗產量, 提高植株氮素利用效率; 一方面增加玉米籽粒中蛋白質含量、可溶性糖含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量, 提升籽粒營養品質, 實現糯玉米品質的提升, 為河北省鮮食糯玉米優質栽培提供了思路。然而, 該研究還有待進一步深入和完善, 一方面從農田土壤質量及生態環境角度進一步驗證有機肥替代部分化肥氮對糯玉米農田土壤理化性質和微生物多樣性的調控機制, 加強有機肥替代部分化肥氮調控糯玉米農田土壤理化性質和微生物多樣性的分析; 另一方面從淀粉品質提升的角度出發在有機肥和化學氮肥在內的管理體系下, 深入研究有機肥配施氮肥條件下糯玉米籽粒胚乳發育過程中淀粉代謝關鍵酶活性及其同工酶基因表達量的變化, 闡明有機肥配施氮肥對糯玉米籽粒淀粉精細結構調控的生理機制。

4 結論

在總施氮量為180 kg hm–2條件下, 有機肥替代40%化肥氮可以改善糯玉米外觀品質和食用口感, 提升籽粒支鏈淀粉含量、氮素利用率、氮素農學利用率和氮肥偏生產力, 有利于實現糯玉米鮮果穗產量和品質的協同提高。因此, 有機肥替代40%化肥氮可作為一項提質增效技術在河北省糯玉米生產中應用推廣。

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Effects of organic fertilizer substituting chemical fertilizer nitrogen on yield, quality, and nitrogen efficiency of waxy maize

LOU Fei1, ZUO Yi-Ping1, LI Meng1, DAI Xin-Meng1, WANG Jian1, HAN Jin-Ling1, WU Shu3, LI Xiang-Ling1,*, and DUAN Hui-Jun2,*

1College of Agronomy and Biotechnology, Hebei Normal University of Science and Technology / Hebei Key Laboratory of Crop Stress Biology, Qinhuangdao 066004, Hebei, China;2College of Agronomy, Hebei Agricultural University / State Key Laboratory of North China Crop Improvement and Regulation, Baoding 071001, Hebei, China;3Hebei University of Environmental Engineering / Hebei Key Laboratory of Agroecological Safety, Qinhuangdao 066102, Hebei, China

The objective of this study is to investigate the effect of organic fertilizer substitution of some chemical fertilizers on eayield, quality, and nitrogen utilization of fresh waxy maize, and to explore the optimum organic fertilizer substitution ratio for chemical fertilizer in waxy maize production, which can provide the theoretical basis for the high-quality cultivation of fresh waxy maize in Hebei Plain. The field trials were conducted in 2020 and 2021 using the waxy maize variety Sidanuo 41 as the experimental material. A randomized zonal experimental design was used to set up 6 treatments: no nitrogen application (T1), quantitative fertilizer nitrogen (T2), organic fertilizer substituting 20% chemical fertilizer nitrogen (T3), organic fertilizer substituting 40% chemical fertilizer nitrogen (T4), organic fertilizer substituting 60% chemical fertilizer nitrogen (T5), and organic fertilizer substituting 100% chemical fertilizer nitrogen (T6). The results showed that substituting of T3, T4, T5 treatments with commercial organic fertilizer increased fresh ears yield of waxy maize, increased by 3.08%, 13.61%, and 3.20%, respectively. Compared with T2 treatment, nitrogen use efficiency treatment with T3–T6 were decreased, the partial productivity and agronomic efficiency of nitrogen fertilizer of T3–T5 treatments were significantly increased. The appearance and tasting quality scores of waxy maize under the substituting of commercial organic fertilizer were higher than T2 treatment, and the total score of T4 treatment was the highest, mainly because the substituting some chemical fertilizer by organic fertilizer increased the total starch and pullulan content of grain, reduced the content of grain protein and soluble sugar, and improved grain texture characteristics, increased grain hardness, elasticity and chewiness, and decreased cohesion. In conclusion, under the condition of a total nitrogen application rate of 180 kg hm–2, the substituting 40% chemical fertilizer nitrogen (T4) with organic fertilizer can improve the yield and quality of fresh ears of waxy maize.

waxy maize; organic fertilizer; yield; nitrogen efficiency; quality

10.3724/SP.J.1006.2024.33038

本研究由河北省特色專業玉米新品種選育基金項目(21326319D-16)和河北省現代農業產業技術體系玉米產業創新團隊建設項目(HBCT2023010410)資助。

This study was supported by the Special Specialty Corn New Bariety Breeding Fund Project of Hebei Province (21326319D-16) and the Construction Project of Maize Industry Innovation Team of Modern Agricultural Technology System in Hebei Province (HBCT2023010410).

李向嶺, E-mail: ncqyfz2008@126.com; 段會軍, E-mail: hjduan@hebau.edu.cn

E-mail: lff19980817@163.com

2023-06-09;

2023-09-13;

2023-09-27.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20230926.1402.006

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